生体分子およびその集合体の構造形成と揺らぎに対する溶媒効果の分子論

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15076205
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松林 伸幸 京都大学, 化学研究所, 准教授 (20281107)
• キーワード: 溶媒和自由エネルギー / 分布関数 / エネルギー表示 / 計算機シミュレーション / 溶質-溶媒相互作用 / 分子集合体 / 構造揺らぎ / 水

研究概要

本年度は、リン脂質二重膜への物質結合を系統的に検討し、タンパク質の安定性に及ぼす水の効果を自由エネルギーに即して定量的に扱い、以下の成果を得た。
1.リン脂質二分子膜系へ分子結合を解析するために、1,2-dimyristoy1-3n-glycero-3-phosphatidylcholine(DMPC)をもちいて、CO、CO_2、ベンゼン、エチルベンゼンの結合自由エネルギーを解析した。膜内の各位置に溶質を挿入する自由エネルギー変化(溶媒和自由エネルギー)に焦点を置き、その位置依存性を検討した。溶媒和自由エネルギーは、膜内部で熱エネルギー(k_BT)程度の揺らぎで変化することが見出し、強い局在化の傾向が無いことを明らかにした。溶媒和自由エネルギーをDMPCからの寄与と水からの寄与に分割し、膜の界面領域にあるとき、水は溶質を安定化する方向に働くことを見出した。
2.タンパク質の全原子自由エネルギー計算を行った。αラクトグロブリンのアンフォールディング経路上の特徴的構造の水和自由エネルギーを、エネルギー表示法によって計算した。水和自由エネルギーは-1千数百kcal/molのオーダーであり、100ps程度のシミュレーションによって、10kcal/mol(相対的に1%)以下の95%エラーに収めることができる。溶質-溶媒相互作用の和は、一数千kcal/molに及び、大きな排除体積効果との微妙なバランスが重要であることを見出した。
3.溶質サイズが大きくなった場合の溶媒和自由エネルギーの極限値を、さまざまな溶液理論について、解析的に決定した。極限値が純溶媒の圧縮率で表されるために、溶媒和自由エネルギーを溶質体積で割ったものは、真の値(1atm)を過大評価することを見出し、圧縮率支配の挙動を圧力支配の挙動に転換することが、理論改善の方途であることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Cholesterol Location and Orientation in Aqueous Suspension of Large Unilamellar Vesicles of Phospholipid Revealed by Intermolecular Nuclear Overhauser Effect (2008)
  • 著者名/発表者名: Giordani, C., Wakai, C., Yoshida, K., Okamura, E., Matubayasi, N. & Nakahara, M
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 111(印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kinetic Study on Disproportionations of C1 Aldehydes in Supercritical Water: Methanol from Formaldehyde and Formic Acid (2007)
  • 著者名/発表者名: Morooka, S., Matubayasi, N. & Nakahara, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 111 ページ: 2697-2705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical equilibrium of formaldehyde and methanediol in hot water: Free-energy analysis of the solvent effect. (2007)
  • 著者名/発表者名: Matubayasi, N., Morooka, S., Nakahara, M. & Takahashi, H
  • 雑誌名: J. Mol. Liq. 134 ページ: 58-63
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-sensitivity Raman Spectroscopy of Supercritical Water and Methanol over a Wide Range of Density (2007)
  • 著者名/発表者名: Yasaka, Y., Kubo, M., Matubayasi, N. & Nakahara, M
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Japan 80 ページ: 1764-1769
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solvation shell dynamics studied by molecular dynamics simulation in relation to the translational and rotational dynamics of supercritical water and benzene (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, K., Matubayasi, N. & Nakahara, M
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 127 ページ: 17450913
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydration Free Energy of Hard-Sphere Solute over a Wide Range of Size Studied by Various Types of Solution Theories. (2007)
  • 著者名/発表者名: Matubayasi, N., Kinoshita, M. & Nakahara, M
  • 雑誌名: Condensed Matter Physics 10 ページ: 471-480
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高温多核拡散NMRプローブ開発と超臨界水中の構造・ダイナミクス・反応研究への応用 (2007)
  • 著者名/発表者名: 吉田 健、松林 伸幸、中原 勝、池田 武義、穴井 孝弘
  • 雑誌名: 日本電子News 39 ページ: 1-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高温多核拡散NMRプローブ開発と超臨界水中の構造・ダイナミクス・反応研究への応用 (2007)
  • 著者名/発表者名: 中原 勝、松林 伸幸、八坂 能郎
  • 雑誌名: 化学 62 ページ: 12-16
  • 査読あり
• [雑誌論文] Slowdown of H/D Exchange Reaction Rate and Water Dynamics in Ionic Liquids: Deactivation of Solitary Water Solvated by Small Anions in 1-Buty1-3-Methylimidazolium Chloride. (2007)
  • 著者名/発表者名: Yasaka, Y., Wakai, C., Matubayasi, N. & Nakahara, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 111 ページ: 541-543
• [雑誌論文] Rotational dynamics of water and benzene controlled by anion field in ionic liquids: 1-butyl-3-methylimidazolium chloride and hexafluorophosphate. (2007)
  • 著者名/発表者名: Yasaka, Y., Wakai, C., Matubayasi, N. & Nakahara, M
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 127 ページ: 104506(8)
• [雑誌論文] A New High Temperature Multinuclear Magnetic Resonance Probe for Structure, Dynamics,and Reaction in Supercritical Water. (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, K., Matubayasi, N., Nakahara, M., Ikeda, T. & Anai, T.
  • 雑誌名: JEOL News 42 ページ: 16-20